【每日科普】逐“日”追光——走近中国新一代“人造太阳”HL-2M

新一代“人造太阳”（HL-2M）装置

 

科技人员进行新一代“人造太阳”实验前的检查

 

新一代“人造太阳”的中央控制大厅

科技人员焊接新一代“人造太阳”真空室内部件

 

行星发动机、智能量子计算机、太空电梯……一段时间以来，电影《流浪地球2》中的“硬核科技”元素引发广泛关注。你知道吗？电影中的很多装备在现实中都有原型。

 

“你们尽管想象，我们负责实现。”最近，社交媒体上，中核集团一张引爆网络的海报，展示的便是电影中的行星发动机和现实中的中国新一代“人造太阳”装置（HL-2M）、中国环流器二号A装置（HL-2A）。网友们不禁热血沸腾，纷纷感叹，“原来中国科幻的背后是中国制造”。
 

科幻照进现实。电影中行星发动机推动地球利用的是核聚变释放的能量，而HL-2M、HL-2A正是我国探索受控核聚变的重要装置，被称为“人造太阳”。其中，HL-2M装置是我国目前规模最大、参数最高的磁约束核聚变实验研究装置。前不久，它入选了“2022年度央企十大国之重器”。
 

这些装置为何被称为“人造太阳”？我们为什么要造“太阳”？新一代“人造太阳”实现了哪些技术突破和自主创新？记者近日采访了中核集团核工业西南物理研究院有关负责同志，让我们一起跟随“造太阳”的人，探寻新一代“人造太阳”的奥秘。
 

原料取用不尽、燃耗低能量大、产物清洁友好
 

受控核聚变，理想的“终极能源”
 

四川成都双流西南航空港，坐落着核工业西南物理研究院。这是我国最早从事核聚变能源开发的专业研究院。
 

研究院聚变科学所那座建了22年的老楼，便是新一代“人造太阳”的“家”。
 

人类真的可以造太阳吗？面对记者的疑问，核工业西南物理研究院聚变科学所所长钟武律给出了答案：“人造太阳”并不是真的造一个太阳，而是建一个装置，利用太阳发光发热的原理，持续可控地输出能量。
 

“太阳为什么能够持续发光发热？是因为它时刻都在发生着核聚变反应。”钟武律告诉记者，我们“造太阳”的最终目的是通过核聚变来发电。
 

众所周知，能源危机被认为是人类社会发展面临的最大难题。科学家们把视线转向核能，而核能主要有核裂变和核聚变两种形式。
 

当前，世界上商用的核电站利用的是核裂变能，即由较重的原子核（如铀）通过核反应过程分裂成两个或两个以上较轻的原子核，从中释放出能量。然而，铀矿的储量有限，长远看仍难以满足人类需求。
 

核聚变的过程正相反，是指由质量较轻的原子核在超高温条件下聚合成较重原子核，并释放出巨大能量，且单位质量下释放的能量比裂变高得多。太阳的光和热，就来源于核聚变反应释放出的能量。
 

“核聚变能源的优势非常明显。一是燃料在地球上的储量极为丰富；二是不产生高放射性核废料，环境友好；三是具有固有安全性等优点。”钟武律进一步解释道。
 

记者了解到，支撑核聚变反应的主要原料可以从海水中提取。据测算，从一升海水中提取出的氘，经完全聚变反应后释放的能量，足够一辆汽车从北京开到海南。按照地球上的海水资源计算，理论上用于聚变反应释放的能量足够人类使用上百亿年，几乎无穷无尽。
 

数据最具说服力。据“90后”高级工程师、核工业西南物理研究院博士科普团金牌科普员郑雪介绍，一座100万千瓦的火电站，每年消耗煤炭约210万吨；同等级的核电站，每年消耗浓缩铀约30吨。而如果建造一座100万千瓦的核聚变电站，每年仅需消耗燃料约0.12吨。
 

正因为此，核聚变能被认为是一种理想的“终极能源”，一旦成功应用，将从根本上解决人类对能源的需求问题。
 

不过，想要利用核聚变能，还必须要让核聚变变得可控。“20世纪50年代，第一颗氢弹爆炸成功，就意味着人类制造核聚变反应成为了现实，但那是不可控的、瞬间的。我们‘造太阳’，就是要通过某种特殊的途径，将核聚变反应过程变得可控，让它源源不断地输出聚变能为我们所用。”钟武律说。
 

让核聚变可控，这是一个世界级难题，必须要同时满足三个非常苛刻的条件，也就是所谓的“聚变三乘积”。
 

“第一个是它需要上亿摄氏度的高温，因为只有温度特别高，原子核才会‘跑’得更快。第二个是等离子体的密度要足够高，这样原子核之间碰撞发生聚合反应的概率就会提高。第三个就是要长时间地控制住这些原子核，也就是说要将高温高密度的核反应条件维持足够长的时间。只有这样，才能够使核聚变发生，并且持续下去。”钟武律说。
 

上亿摄氏度高温是个什么概念？要知道，太阳的核心温度也只有1500万至2000万摄氏度。而地球上的金属材料在1000摄氏度左右就会融化。聪明的科学家就利用强磁场，让高温的等离子体悬浮起来，从而实现与材料的隔离。也就是说，让高温等离子体在磁场约束下进行聚变反应。
 

最高可达2.5兆安培以上电流、1.5亿摄氏度高温
 

自主创新造就新一代“人造太阳”
 

王金，核工业西南物理研究院的一名资深高级技师。
 

对实验数据进行比对分析，对主机真空室进行查漏检修……最近，他和同事们一起对HL-2M装置进行了新的升级改造，为即将到来的下一轮放电实验做准备。
 

在新一代“人造太阳”的主机机房，各种管线、机柜围绕在一个巨型“轮胎”状机器周围，令人眼花缭乱。然而，王金却对这里的每一个零件都了如指掌。
 

“这上面数万个零件，都是我和同事们亲手安装和调试的。”王金言语中透着自豪。
 

记者了解到，HL-2M装置是我国目前规模最大、参数最高的磁约束核聚变实验研究装置，采用先进的结构与控制方式，等离子体体积达到国内现有装置2倍以上，等离子体电流能力提高到2.5兆安培以上，等离子体离子温度可达到1.5亿摄氏度，能实现高密度、高比压、高自举电流运行。同时也是目前国际上首个具备在兆安培等离子体电流下实现多种先进偏滤器位形能力的核聚变先进研究平台。
 

“更为重要的是，装置的核心部件都是我国自主设计建造。”钟武律说。
 

据介绍，新一代“人造太阳”由真空室、线圈系统、发电机组和支撑结构等核心部件组成。其设计建造背后，有太多打破国外技术封锁、填补国内空白的故事，大到真空室等核心部件，小到一枚枚特殊的膨胀螺栓，都不断挑战着国内相关工程技术水平极限。
 

“中间那个直径约5米、高约3米的‘轮胎’状设备就是真空室。”王金告诉记者，仅容器设计制造就经过6年的艰难探索。
 

据介绍，HL-2M装置主要是靠强磁场将高温离子约束在真空环境中，不与任何材料接触。而这个超真空环境，比宇宙空间环境的要求还要高好几个数量级。在设计研发初期，科研团队大量调研，走访了10余家大型制造企业，却因设计精度高、制造难度大、薄壁件焊接变形控制难、国内无相关经验等原因被告知无法加工。团队迅速将科学思维调整为工程思维，将科学设计参数细化为一个个可实现的工程图纸，以共同研发和手把手教学的方式指导厂家加工。这对长期从事基础科研、缺乏工程经验的团队来说，压力巨大。不过，最终还是研发制造出了我国首台D形截面特材双层双曲率薄壁件全焊接环状超高真空容器，相关工艺和技术指标达到国际领先水平。
 

线圈系统也很重要，它要为HL-2M装置开展放电实验提供约5万倍于地球磁场的强磁场，用以精确和稳定地控制上亿摄氏度高温等离子体。按照最初的设计，线圈制造“利旧改造”，是当时最可靠、最高效的方案。然而科研团队却选择重新研制。最终首创了国内最大运行电流强磁场D形比特板式可拆分环向场线圈，突破国内大截面外方内圆异形无氧铜管原有产能极限，独创性地掌握了国内大尺寸异形高强度铬锆铜材制造技术，多项工艺领先国外一流装置。
 

不仅如此，装置有关零部件的安装精度和清洁度也有着极高要求。“我们真空室内安装的部件共有4万多个，全部由人工安装，如果有任何一个部件没有安装牢固，或没有在指定的位置就会造成几百人的团队实验无法进行。同时，由于空间受限，所有部件都是紧凑型，需要一层一层安装上去，安装难度大。”王金介绍，真空环境外的第一道“防线”——“第一壁”的安装，是他面对的最大挑战。
 

为了能保护好后面的各种测量器件，“第一壁”密布在整个真空室内部，包括多层功能性和结构性材料，大的有扑克牌大小，小的只有指头大小。“听起来好像是‘贴瓷砖’一样简单，但对间隙和平整度的要求极高，相邻两块材料之间的高度差不能超过1毫米、间隙不能超过2毫米，而且作业空间十分受限。”据他回忆，整个“第一壁”的安装就花了大半年，为了保证环境的洁净，工作时还需要换上全套防尘服，外加手套、口罩、发套和安全帽，整个人就只剩下眼睛露在外面。
 

不断取得新突破、不断创造新纪录
 

核聚变点火正逐渐走向现实
 

HL-2M装置主机一墙之隔，是装置的中央控制室。2月9日，聚变科学所控制与信息研究室“90后”主任李波在控制室内协调有关系统，对外围辅助加热系统进行测试实验。
 

他还有一个称呼——“‘人造太阳’的驾驶员”。“主要是负责设计打造和运行控制装置的‘中枢神经’，最终实现对等离子体的控制。”李波解释说。
 

当记者提起2022年10月HL-2M装置创造的新纪录——等离子体电流首次突破100万安培（1兆安），李波颇显激动。据他介绍，要想实现核聚变发电，首先要实现聚变点火，这是一个先决条件。“就像钻木取火一样，先实现聚变点火，后续只需持续加‘柴’就可持续对外输出能量。”
 

不过，点一把柴火容易，核聚变点火难。如前文所介绍的那样，等离子体温度、密度、能量约束时间三个变量参数的乘积，必须超过特定数值。而本次等离子体电流突破100万安培，就意味着等离子体的密度极限和能量约束时间等关键参数有显著提升。“这也就意味着我们距离聚变点火又迈进了重要一步，对我国深度参与目前全球最大的‘人造太阳’——国际热核聚变实验堆ITER实验及自主设计运行聚变堆具有重要意义。”李波说。
 

不过，每一次实验、每一轮放电都会有新的问题等待解决。“如同老一辈‘造太阳’的人，我们也要一个山头一个山头地去攻克。”李波告诉记者，院所正在集聚各路精兵强将，整合多方优势资源，院所两级纪委加强监督联动，全力保障基础科研攻关，加快推进解决“人造太阳”关键核心技术卡脖子难题。
 

据介绍，我国的可控核聚变实验研究始于20世纪50年代，几乎与国际上同步。历经半个多世纪的发展，先后研制了多种类型的磁约束核聚变研究装置，如脉冲磁镜、角向箍缩装置、仿星器、超导磁镜、托卡马克。
 

当前主流的“人造太阳”装置为托卡马克，HL-2M装置就是一种托卡马克装置。“其实就是在一个大型环状真空容器里面注满气体，然后把气体电离变成等离子体，再用强磁场把带电粒子控制住，让它在真空容器里面悬浮起来。”钟武律说。在此之前，核工业西南物理研究院还先后研发出HL-1、HL-1M、HL-2A系列装置，其中HL-1是我国首个中型托卡马克实验装置，被称为我国首个“人造太阳”实验装置。
 

2006年，中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国和印度共同签署了ITER项目启动协定，该项目是目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，同时也是中国以平等身份参加的最大国际科技合作项目，并不断取得了新的突破。如今，中国的磁约束核聚变研究部分技术已达到国际领先水平。
 

“实现核聚变点火正逐渐走向现实。”对HL-2M这个我国唯一一个具备开展堆芯级等离子体物理实验能力的技术平台，这群“造太阳”的人充满信心，“未来HL-2M将继续有条不紊开展后续实验工作，冲击更高的等离子体电流和离子温度等参数，全面提升核聚变三参数，实现我国‘人造太阳’研究新的飞跃。”
 

“每一次通过中控厅的大屏幕看到等离子体的夺目亮光，我就觉得它特别美，就像人类第一次看到自己点燃了篝火——发光发亮，充满希望。”李波感慨道，期待我国的一盏盏灯早日被核聚变能点亮。

 

（来源：中国纪检监察报，核工业西南物理研究院供图）